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聆听电子和晶体的“低语”：量子发现
东北大学的一位研究人员发现电子-声子相互作用是量子化的，与精细结构常数相关，从而增强了材料设计的可能性。
来源:Scientific Inquirer东北大学物理系的一位研究人员发现了普通晶体中隐藏的一种令人惊讶的量子现象：电子和晶格振动（称为声子）之间相互作用的强度不是连续的，而是量子化的。更值得注意的是，这种强度普遍与物理学中最具标志性的数字之一：精细结构常数相关。
这个无量纲数 (α ≈ 1/137) 之所以如此具有标志性，是因为它能够解释电磁相互作用，而与所使用的单位无关。想象一下，一支铅笔的长度是另一支铅笔的两倍的比率 - 无论您以厘米、英寸还是英尺来测量铅笔的长度，该比率都不会改变。
由东北大学的 Masae Takahashi 领导的这项研究表明，电子-声子耦合强度始终是基本单位的整数倍，等于精细结构常数乘以玻尔兹曼常数。换句话说，在每次相互作用期间，大约有 137 声子能量的一部分被转移。使用先进的太赫兹光谱仪探测红外和微波之间能量范围内的振动，以前所未有的精度测量电子声子耦合。这一突破表明，控制电磁力的基本常数也适用于电子和晶体之间的微观“对话”。
为什么会发生这种情况？高桥将其起源追溯到类似于康普顿散射的过程，其中电子不直接与声子碰撞，而是与声子发射的光子碰撞。这一见解解释了为什么能量传递以 α 的一次方缩放，而不是像自旋轨道相互作用中那样以 α² 缩放。总的来说，这项研究揭示了控制电子如何与晶体内晶格振动相互作用的通用量子规则。
“这一新发现令人兴奋，因为这是相当长一段时间以来我们第一次可以为成熟的量子力学添加新信息，”高桥评论道。